Från kemi till materialvetenskap till COVID-19-forskning, APS är en av de mest produktiva röntgenljuskällorna i världen. En uppgradering kommer att göra den till en global ledare bland nästa generations ljuskällor, öppna nya gränser inom vetenskapen.

Under de nästan 25 åren sedan Advanced Photon Source (APS), en användarfacilitet för US Department of Energy (DOE) Office of Science, öppnades först på DOE:s Argonne National Laboratory, det har spelat en viktig roll i några av de mest avgörande upptäckterna och framstegen inom vetenskapen.

Fler än 5, 000 forskare från hela världen genomför experiment vid APS varje år, och deras arbete har, bland många andra anmärkningsvärda framgångar, banade väg för bättre förnybara batterier; resulterat i utvecklingen av många nya läkemedel; och hjälpte till att göra fordon mer effektiva, infrastrukturmaterial starkare och elektronik kraftfullare.

Forskning utförd vid APS har också direkt lett till två Nobelpriser, och bidrog till en tredje. Senast, APS ger betydande bidrag i kampen mot covid-19. Dess strållinjer är involverade i forskning för att både identifiera virusets proteinstrukturer och hitta potentiella farmaceutiska behandlingar och/eller vacciner. Sådant arbete klargör den pågående betydelsen av röntgenljuskällor, som APS, att lösa kritiska problem för vår värld.

Men medan APS fortfarande är en av de framstående forskningsanläggningarna i sitt slag, elektronlagringsringen som är i dess hjärta designades med början i slutet av 1980-talet och, lika banbrytande som det var på den tiden, förlitar sig nu på daterad teknik.

"Efter 25 år, utmaningen är hur vi fortsätter att göra APS till en intressant och användbar plats för forskare?" frågade Jim Kerby, chefsprojektledare för APS Upgrade (APS-U), som kom till Argonne för att hjälpa till att svara på den frågan. "Hur skapar vi en anläggning som fortsätter att ge möjligheter till arbete som inte kan utföras någon annanstans?"

När APS är redo att genomgå en uppgradering på 815 miljoner dollar som kommer, så tidigt som i slutet av 2023, möjliggöra vetenskap i en helt ny och aldrig tidigare skådad skala, APS-teamet i Argonne och de tusentals forskare som det stöder ser med spänning framåt – även om ingen helt kan känna till hela skalan av vetenskapliga möjligheter som väntar.

"APS-uppgraderingen kommer att tillåta oss att genomföra nya experiment som vi knappt ens kan föreställa oss just nu. Det kommer att vara transformerande, sa Jonathan Lang, direktören för APS X-ray Science Division (XSD).

"Från Usain Bolt till en F-15"

APS fungerar som ett gigantiskt röntgenmikroskop. Den producerar extremt ljusa röntgenstrålar som kan titta genom täta material och belysa materiens struktur och kemi på molekylär och atomär nivå. Som en del av uppgraderingen, den befintliga 1,1 kilometer långa cirkulära lagringsringen kommer att bytas ut och röntgenstrålar och annan utrustning kommer att uppdateras, skapa en mycket kraftfullare röntgenanläggning och ljusare röntgenproduktion.

Röntgenstrålningens ljusstyrka kommer att vara upp till 500 gånger högre än den nuvarande maskinen, sa Kerby, och kommer att förbättra prestandan avsevärt.

"Det är svårt för någon att verkligen föreställa sig, " sa Kerby. "Det är som att gå från Usain Bolt, en friidrottssprinter med världsrekord känd för att vara en av de snabbaste männen på jorden, till ett F-15 stridsflygplan. Båda är snabba, men det är två väldigt olika typer av hastighet. Experiment som tidigare var omöjliga att utföra på en realistisk tid kommer nu att genomföras på minuter till timmar."

En annan stor förbättring involverar strålkoherens, som relaterar till hur ordnat röntgenljuset är. Lang sa att det kommer att gå från något som en strålkastare som producerar en bred spolning av ljus till något mycket mer som en laser.

Enligt Stephen Streiffer, biträdande laboratoriechef för vetenskap och teknik, tillfällig biträdande laboratoriechef för fotonvetenskaper, och chef för APS, koherens är särskilt viktigt:"Högenergiröntgenstrålar som är ultraljusa med mycket hög koherens kommer att tillåta oss experiment i verkliga miljöer, inte bara modellmiljöer."

Streiffer sa att det var viktigt att den nya röntgenkällan möjliggör mätningar över flera fysiska och tidsskalor. "Tänk på att utforska elektrokemin i ett batteri. Det går från en nanosekund med atomer som diffunderar i en lokal miljö hela vägen upp till makroskopiska förändringar i batteriet över dagar, veckor eller till och med år. Med den ökade ljusstyrkan kommer vi att kunna se hela bilden."

Lang pekade på en annan vinkel. "För närvarande, du kan bara se en liten del av ett material, och det tar lång tid. Med uppgraderingen får vi både hög upplösning och ett brett synfält. Till exempel, att förstå mekaniska egenskaper i polykristallina material, du vill se hur element är fördelade runt korngränserna mellan kristaller, men du vill också se hur ett stort antal korngränser står sig. Detta kommer att tillåta forskare att titta på många fler celler, på sätt som i slutändan dramatiskt kan förbättra konstruktionsmaterial som används inom fordons- och flygindustrin."

Med högre ljusstyrka, Lang sa, kommer också att komma en enorm databelastning. "Men vi har högpresterande datoranvändning på campus så det är bra synergieffekter. De kan tappa siffrorna för att hantera data. Det är en unik källa och resurs mycket nära." Och med den nya superdatorn Aurora som kommer att debutera 2021, det kommer att finnas ännu fler möjligheter att utnyttja Argonnes oöverträffade resurser.

Bob Hettel, chefen för APS-U-projektet, var involverad i utformningen av den nuvarande APS medan han var på SLAC National Accelerator Laboratory. Han sa att det är en mycket spännande tid för röntgenteknik, särskilt med framsteg inom design av förvaringsringar, och APS har "kommit med ett aggressivt tillvägagångssätt som förbättrar och förbättrar vad andra har gjort de senaste två decennierna."

För Hettel, den största utmaningen är att det inte finns ett enda tekniskt hinder, utan snarare är det integrationen av så många olika komponenter. "Det finns en miljon rörliga delar. Men vi engagerar oss i användargemenskapen, och vi har de absolut bästa tekniska människorna i världen inom flera områden som har gått samman för att få det hela att fungera."

Kerby sa att den tidigaste som APS skulle stängas av är juni 2022 – men inte förrän alla delar av den nya maskinen har checkats ut och är redo att monteras på den gamla maskinens plats – med den uppgraderade APS som kommer tillbaka online ungefär ett år senare. Vid det tillfället, han sa, användare måste helt omkalibrera hur de tänker om vilka vetenskapliga experiment som är möjliga.

Ändrar hela spelet

Conal Murray är en forskningsanställd vid IBM Watson Research Center i New York som hade sin första stråltid vid APS för mer än 20 år sedan, och som har återvänt nästan varje år sedan dess.

Hans nuvarande forskning involverar töjningsteknik i framtida generationers transistorer. Framsteg inom detta område är viktiga för enhetsskalning i applikationer som sträcker sig från smarta telefoner till högpresterande datorer, där större transistortensitet kan uppnås samtidigt som den totala funktionaliteten ökar.

"Den förbättrade koherensen och ljusstyrkan gör det möjligt för oss att göra mätningar av faktiska enheter, inte bara representativa strukturer. Vi kunde bara göra detta med APS-uppgraderingen, " sade Murray. "Men jag är lika exalterad över de oväntade resultaten som kommer från denna uppgradering. Vi kommer inte att veta de fulla fördelarna förrän den är byggd och i drift."

För Gayle Woloschak, en forskare vid Northwestern University, APS-U kommer att tillåta henne att "hoppa vidare till nästa nivå av vad vi kan göra. Vi kommer att kunna göra en snabb genomsökning av celler, ett betydande antal på kort tid." Detta kommer att avsevärt öka hur många patienter som kan spåras och ge en mycket bättre förståelse för vad som händer under behandlingen.

För forskare som Stephan Hruszkewycz, i Argonnes materialvetenskapsavdelning, röntgenstrålningen vid APS är ett av de enda sätten att se hur material beter sig under extrema förhållanden, vilket är avgörande för att möta en rad energiutmaningar. "Uppgraderingen är en enorm möjlighet för materialvetenskap. Med de förbättrade egenskaperna och genom att anta nya metoder, vi kommer att kunna titta på material i ett tillstånd som ger oss en mycket rikare uppfattning om hur de förvandlas i extrema miljöer."

Hej Chen, en fysiker vid Argonnes röntgenvetenskapsavdelning som främst arbetar med biologiska tillämpningar, sade att APS-U också kommer att innebära stora utrustningsförbättringar. "En av de viktigaste sakerna är inte bara själva uppgraderingen, men alla nya instrument för att använda ljusstyrkan som uppgraderingen kommer att ge."

Chen sa att röntgenändstationen hon för närvarande arbetar med kan studera några få celler per dag; använda en ny andra generationens maskin efter uppgraderingen, detta kommer att öka till tusentals celler per dag. "Vi kommer att kunna samla in data mycket snabbare, och att en större befolkning kommer att öka förtroendet för forskningsslutsatserna."

Hon tillade att den nya maskinen kommer att tillåta forskare att uppnå ett 10 nanometer fokus - vilket är sex till åtta tusen gånger mindre än ett enda människohår.

Northeastern Collaborative Access Team (NE-CAT) kör två strållinjer vid APS, finansieras av National Institutes of Health och servar 600-700 unika användare. Malcolm Capel, NE-CAT biträdande direktör, överens om att flera övergångar kommer att behöva ske samtidigt. "Våra kontrollsystem är 20 år gamla, för. Vi kommer att ha ny mjukvara och mer dokumentation av våra system för användarna."

Laurence Lurio är ordförande för fysikavdelningen vid Northern Illinois University vars arbete innebär att undersöka biologiska material som proteiner och lipider. Han sa att den förbättrade strålkoherensen kommer att tillåta hans forskargrupp att fokusera mer på vetenskap än teknik.

"Det mest spännande med uppgraderingen är att vi kommer att gå från att göra mycket utmanande, teknikdrivna mätningar till något som är mycket enklare och bekvämt att göra. Tekniken måste vara lätt nog att du kan titta på vetenskapen. Om du försöker för mycket att göra en mätning kan du inte titta på de viktiga applikationerna."

Lurio tillade att om det inte vore för APS och stödet från DOE, ett sådant innovativt arbete skulle inte vara möjligt. "Kommer från ett medelstort universitet, vi har inte en enorm budget för forskningsinfrastruktur. Och det är nog sant för ännu större forskningsuniversitet. Men vi kan alla komma till APS och plötsligt ha världens bästa verktyg för att göra ett experiment. Tillgången till den här anläggningen förändrar hela spelet."

På fast mark i ytterligare 25 år

Potentialen för framtida avgörande upptäckter som ett resultat av uppgraderingen är praktiskt taget obegränsad. Exempel kan vara revolutionerande system för att omvandla solljus till energi och lagra den energin; detaljerade mekanismer genom vilka föroreningar rör sig genom marken; rengöringsmedel, effektivare biobränslen; en transformerande förståelse av strukturen i jordens inre kärna; nya läkemedel för att behandla infektioner som är resistenta mot antibiotika; och en bättre förståelse för hur hjärnan bearbetar och lagrar information med neuroner.

Kerby sa att han inte tvivlade på att uppgraderingen skulle ge många spektakulära exempel på innovativ vetenskap. Men tillade, "Det riktigt viktiga är inte de specifika exemplen, det är möjligheten att gå i riktningar som folk tidigare inte hade tänkt på, eller hade skrivit av."

Och det, sa Lang, är i slutändan målet för uppgraderingen.

"Vi vill säkerställa att APS är relevant i ytterligare 25 år, " sa Lang. "Om 10 till 15 år, människor kommer att börja komma med nya idéer. APS-uppgraderingen kommer att sätta Argonne på fast mark i världen i ytterligare 25 år. Man kan inte förutse framtiden mycket längre ut än så."